劉玉林，朱紅偉，顧建嶸

(南京國電南自維美德自動化有限公司，南京 210032)

0 引言

發(fā)電機轉子過電壓保護裝置的主要作用是防止發(fā)電機運行過程中產(chǎn)生的過電壓尖峰對轉子繞組及相關回路造成危害，一般由吸能電阻(常見非線性電阻，如氧化鋅ZnO等)、觸發(fā)器、可控硅等部分組成。

目前，大中型同步發(fā)電機多采用可控硅靜止勵磁的方式，發(fā)電機運行時，由于可控硅整流換相、發(fā)電機機端短路、發(fā)電機失磁異步等原因，轉子回路中會產(chǎn)生相當高的過電壓，若不采取適當措施抑制這些過電壓，極有可能擊穿發(fā)電機勵磁繞組或可控硅整流橋，從而造成發(fā)電機事故停機及大的經(jīng)濟損失[1]，因此，轉子過電壓保護的重要性就凸顯出來。工程實際應用中，為了保證發(fā)電機轉子過電壓保護裝置可靠工作，需要有一種操作簡單、安全可靠的試驗方法，對其工作性能進行定期檢查。

1 轉子過電壓保護裝置原理

本文以華電集團某150 MW機組發(fā)電機勵磁工程為例，該工程勵磁系統(tǒng)采用的發(fā)電機轉子過電壓保護裝置由合肥科聚電氣有限公司生產(chǎn)，額定勵磁電壓為269 V，額定勵磁電流為1 689 A，該工程采用了碳化硅(SiC)滅磁電阻配合可控硅跨接器的滅磁方式。發(fā)電機轉子過電壓保護裝置包括位于滅磁開關兩側的轉子側過電壓保護和整流側過電壓保護(如圖1中虛線框內所示)：轉子側過電壓保護(L01～L02)，型號GB02-0.12/1.6，能容量為0.12 MJ，整定動作值為1 600 V；整流側過電壓保護(L03～L02)，型號GB02-0.12/1.8，能容量為0.12 MJ，整定動作值為1 800 V。圖1中：SCR表示勵磁系統(tǒng)功率柜整流部分，陽極電壓為560 V；QF表示滅磁開關；GR表示發(fā)電機轉子；GS表示發(fā)電機定子。

圖1 轉子過電壓保護裝置原理

以轉子側過電壓保護(L01～L02)為例，正反向并聯(lián)的可控硅V1和二極管V2串聯(lián)1組吸能電阻(氧化鋅電阻RV1配特種熔斷器F1)和1只電流互感器CT1后再并聯(lián)在轉子兩端。保護的正向過電壓(L01→L02)用可控硅V1控制，保護的反向過電壓(L02→L01)控制取決于二極管V2，保證對正向電壓是封堵的。

正常運行時，轉子電壓低于正向過電壓整定值，觸發(fā)器TR1不動作，可控硅V1處于開路狀態(tài)；當轉子正向過電壓大于過電壓整定值(1 600 V)時，觸發(fā)器TR1動作，可控硅V1導通，非線性電阻RV1并接入轉子回路，吸收能量，限制轉子的過電壓，保護轉子不受損害。當轉子出現(xiàn)反向過電壓時，通過二極管V2使非線性電阻RV1并接人轉子回路，將轉子反向過電壓限制在允許范圍內[2]。

電流互感器CT1用于監(jiān)測過電壓保護回路中的電流，其輸出端接一只過電壓動作指示繼電器，用于檢測該過電壓保護回路的動作情況，對外發(fā)出過電壓告警信號。

2 常規(guī)的出廠試驗方法

在出廠試驗中，為了驗證轉子過電壓保護裝置的動作性能，根據(jù)標準一般采用如下的試驗方法(以轉子側過電壓保護(L01～L02)為例)：斷開外部回路，串接限流電阻(取200～1 000 Ω)，利用專用的可調式升壓變壓器模擬發(fā)電機轉子的轉子正反向過電壓(取三相升壓變壓器中的兩相，380 V/1 600 V)，緩慢增加升壓變壓器輸出電壓。當施加的電壓到達轉子過電壓保護裝置動作值后，觸發(fā)器TR1動作觸發(fā)可控硅V1，利用示波器觀察過電壓保護裝置(L01，L02)兩端電壓波形的變化情況。

當發(fā)現(xiàn)正弦波電壓波峰被削平、正向或反向平頂峰值電壓不再隨電源電壓升高而有明顯變化時，表明正向或反向過電壓保護已經(jīng)動作限壓，記錄波形，讀取動作電壓值[3]。

觸發(fā)器動作后，正向(L01→L02)正半波的正弦電壓會有明顯的下拉，證明此時過電壓保護裝置中的觸發(fā)器TR1動作控制可控硅V1導通，氧化鋅電阻RV1起到了鉗制轉子兩端過電壓的作用；反向(L02→L01)負半波的正弦電壓因為二極管V2直接接入氧化鋅電阻RV1的限制而呈現(xiàn)出削峰，通過觀察波形的變化和計算所記錄的動作幅值，可驗證該轉子過電壓保護裝置的工作性能是否正常。常規(guī)的出廠試驗示意圖如圖2所示，試驗波形如圖3所示。

圖2 常規(guī)的出廠試驗示意

圖3 常規(guī)試驗波形

根據(jù)試驗結果計算可得，示波器上觀測到的分壓電阻正向過電壓動作值為40.0 V，分壓電阻變比為41.17，則實際動作值=40.0×41.17=1 646.8 (V)，與設計值1 600.0 V的誤差為2.93%，滿足標準規(guī)定的動作分散性不大于±10%的要求[4]。

此外，氧化鋅電阻RV1非線性電阻試驗可用測試儀逐支路測試元件壓敏電壓U10 mA，然后再測試0.5U10 mA直流電壓下的泄漏電流，其泄漏電流值應小于100 μA。電流互感器CT1和配套的過電壓動作繼電器采用繼電保護測試儀施加交流電流的方法檢測其工作性能，在此不再贅述。

3 現(xiàn)場的替代試驗方法

在工程現(xiàn)場交接試驗以及定期的檢修中，往往缺少升壓變壓器等專用高壓設備，對于轉子過電壓保護裝置的動作值等部分功能僅依靠廠家的試驗報告驗證。在DL/T 489—2006《大中型水輪發(fā)電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置試驗規(guī)程》和 DL/T 419—2008《大中型水輪發(fā)電機自并勵勵磁系統(tǒng)及裝置運行和檢修規(guī)程》的相關條款中，對轉子過電壓保護裝置的測試都有具體要求。

如果有一種替代的試驗方法，能利用現(xiàn)有的低壓設備正確測試出轉子過電壓保護裝置的實際動作值，定期檢查，確保該保護功能的正確投入，進而保證發(fā)電機組的可靠運行，對現(xiàn)場電氣檢修調試工作是有實際應用意義的。

通過對該型轉子過電壓保護裝置的深入研究，發(fā)現(xiàn)電阻R1和觸發(fā)器TR1的端子1，2串聯(lián)在轉子兩端，而電阻R1起到了分壓電阻的作用。如果能單獨標定觸發(fā)器TR1的動作電壓，再根據(jù)電阻R1和觸發(fā)器TR1端子1，2之間的等效阻值(R12)，則可以反推出該轉子過電壓保護裝置的實際動作值。

本文提出一種替代試驗的方法，所準備的儀器包括單相調壓變壓器(0～220 V，50 Hz)、示波器和限流電阻(200 Ω左右)。采用如下試驗方法(以轉子側過電壓保護(L01～L02)為例)：外部串接限流電阻，短接分壓電阻R1，短接氧化鋅電阻RV1和熔斷器F1；利用單相調壓器模擬施加到觸發(fā)器TR1的端子1，2上的發(fā)電機轉子的轉子正反向過電壓，緩慢增加調壓器輸出電壓，當施加的正向電壓到達觸發(fā)器TR1動作值后，觸發(fā)器TR1動作觸發(fā)可控硅V1，利用示波器觀察L01，L02兩端電壓波形的變化情況；觸發(fā)器動作后，正向(L01→L02)正半波的正弦電壓會有明顯的下拉，反向(L02→L01)負半波的正弦電壓因為二極管V2的作用而基本一直為0，證明此時過電壓保護裝置中的觸發(fā)器TR1動作控制可控硅V1導通，二極管V2單向導通正常，記錄此時觸發(fā)器TR1的動作值，即可反推出該型轉子過電壓保護裝置的實際動作值。替代試驗示意圖如圖4所示，替代試驗波形如圖5所示。

根據(jù)試驗結果計算可得，示波器上觀測到的觸發(fā)器正向電壓動作值為39.2 V，電阻R1阻值為4 200 Ω，R12阻值為102 Ω，則實際動作值=39.2×(4 200+102)/102=1 653.3 (V)，與設計值1 600.0 V的誤差為3.33%。該方法和常規(guī)的出廠試驗方法計算結果相比，差值=1 653.3-1 646.8=6.5 (V)，誤差為0.4%，考慮實際測量和儀器的誤差等因素，該方法所計算出的結果和常規(guī)的出廠試驗方法所得結果完全一致。

圖4 替代試驗示意

圖5 替代試驗波形

4 結束語

本文提出了一種轉子過電壓保護裝置的檢測方法，區(qū)別于常規(guī)的試驗方法，利用間接測試的手段驗證了轉子過電壓保護裝置的功能，并能標定實際動作值，與常規(guī)方法相比，結果一致。該方法操作簡單，試驗過程中不涉及高電壓，無需額外的高壓升壓設備，安全經(jīng)濟?，F(xiàn)場人員在投運和定期的檢修維護過程中，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用該方法進行試驗，作為對發(fā)電機轉子過電壓保護裝置的一種快速、可靠的檢測方法，保證發(fā)電機組的可靠運行。

[1]高雄清，趙月起，胡海燕，等.新型過壓保護觸發(fā)器在發(fā)動機勵磁中的應用[J].四川水力發(fā)電,2013，32(5):119-120.

[2]李毅.轉子過電壓保護裝置試驗設備的研制與應用[J].四川水力發(fā)電,2013,32(3):184-186.

[3]竺士章.發(fā)電機勵磁系統(tǒng)試驗[M].北京:中國電力出版社,2005.

[4]大中型水輪發(fā)電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置技術條件:DL/T 583—2006[S].